WO2017131165A1 - アシストガス供給方法及び装置 - Google Patents

アシストガス供給方法及び装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2017131165A1
WO2017131165A1 PCT/JP2017/002959 JP2017002959W WO2017131165A1 WO 2017131165 A1 WO2017131165 A1 WO 2017131165A1 JP 2017002959 W JP2017002959 W JP 2017002959W WO 2017131165 A1 WO2017131165 A1 WO 2017131165A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
nitrogen
gas
rich gas
purity
compressed air
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/002959
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
功明 塩地
Original Assignee
株式会社アマダホールディングス
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社アマダホールディングス filed Critical 株式会社アマダホールディングス
Priority to JP2017563851A priority Critical patent/JP6812366B2/ja
Publication of WO2017131165A1 publication Critical patent/WO2017131165A1/ja

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/02—Hollow fibre modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor

Definitions

  • the present invention relates to an assist gas supply method and device [a method and an apparatus for supply supply an assist gas.
  • a separation device that obtains nitrogen-rich gas using a hollow fiber membrane (for example, a hollow fiber membrane made of polyimide) that is more permeable to oxygen than nitrogen is known.
  • Patent Document 1 discloses an assist gas supply device that supplies, as an assist gas, a nitrogen-rich gas separated from compressed air using such a separation device to a laser processing head.
  • the nitrogen purity [nitrogen purity] of a nitrogen-rich gas obtained by a separation device using a hollow fiber membrane decreases as the consumption flow [consumption flow volume] of the nitrogen-rich gas increases.
  • concentration of oxygen remaining without passing through the hollow fiber membrane depends on the consumption flow rate, and the higher the consumption flow rate, the higher the residual oxygen concentration.
  • nitrogen-rich gas when used as an assist gas in laser processing, it is desirable that the nitrogen purity of the assist gas is kept constant regardless of the flow rate.
  • the fluctuation of the nitrogen purity is substantially a fluctuation of the oxygen concentration.
  • the oxygen concentration of the assist gas fluctuates during laser processing, for example, the thickness of the oxide film formed on the cut surface and the amount of dross generated are reduced. to be influenced. As a result, product quality may not be stable.
  • the assist gas supply device disclosed in Patent Document 1 includes a first conduit for supplying the nitrogen-rich gas obtained by the separation device to the laser processing head, and a separation device for again mixing the oxygen separated by the separation device with the nitrogen-rich gas. And a second conduit connecting the first conduit and a pressure control valve provided in each of the first and second conduits. The nitrogen purity is controlled by adjusting the amount of oxygen mixed into the nitrogen-rich gas by the pressure control valve.
  • the assist gas supply device disclosed in Patent Document 1 is difficult to obtain a nitrogen-rich gas with high nitrogen purity when the consumption flow rate is relatively large, and conversely, the nitrogen purity is more than necessary when the consumption flow rate is relatively small. May be higher.
  • the concentration of oxygen that is remixed in the nitrogen-rich gas after being separated by the separator varies depending on the consumption flow rate, it is difficult to adjust the amount of oxygen to be mixed.
  • An object of the present invention is to assist the nitrogen purity of the nitrogen-rich gas for assist gas that is separated using a separation device using a hollow fiber membrane, stably and easily at a desired purity regardless of the consumption flow rate. It is to provide a gas supply method and apparatus.
  • a first feature of the present invention is an assist gas supply method for obtaining a nitrogen-rich gas from compressed air and supplying the gas to a laser processing head as an assist gas, the separation having a hollow fiber membrane that is more permeable to oxygen than nitrogen.
  • the nitrogen rich gas supplied as the assist gas is performed by performing any one of the nitrogen purity increasing operation (mode M2 described later) for mixing the nitrogen rich gas with the separated nitrogen rich gas to increase the nitrogen purity.
  • An assist gas supply method comprising: a nitrogen purity adjusting step for adjusting nitrogen purity.
  • a second feature of the present invention is an assist gas supply device that acquires a nitrogen-rich gas from compressed air and supplies it as a assist gas to a laser processing head, and uses the hollow fiber membrane that allows oxygen to permeate more easily than nitrogen.
  • a separation device for separating the nitrogen-rich gas from compressed air, a conduit pipe for guiding the nitrogen gas separated by the separation device to the laser processing head (conduit R1 and Rh, which will be described later), and an arrangement on the conduit pipe A mixing valve that mixes the nitrogen-rich gas separated by the separation device with another gas at a variable mixing ratio, and a first conduit for introducing the first gas into the mixing valve (conduit R2 to be described later) And a second conduit pipe (conduit R2 to be described later) for introducing the second gas into the mixing valve, and one of the first gas and the second gas as the other gas to the mixing valve
  • a switching valve device for selectively connecting one of the first conduit pipe and the second conduit pipe to the mixing valve to enter, the first gas being the compressed air Yes, the second gas
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an assist gas supply device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram of an NC device that controls the assist gas supply device.
  • FIG. 3 is a flowchart of the nitrogen purity adjustment operation by the assist gas supply device.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the compressed air consumption flow rate and the nitrogen-rich gas flow rate.
  • FIG. 5 is a partial configuration diagram of Modification 1 including an oxygen concentration meter.
  • FIG. 6 is a partial configuration diagram of Modification 2 including an oxygen concentration meter.
  • FIG. 7 is a partial configuration diagram of Modification 3 provided with an oxygen concentration meter.
  • FIG. 8 is a configuration diagram of the assist gas supply device according to the second embodiment.
  • the gas supply device 51 is arranged between a compressed air source AR having a compressor CP and a laser processing head 13 of a laser processing machine 52.
  • the gas supply device 51 mainly supplies the nitrogen rich gas acquired from the compressed air source AR to the laser processing head 13 as the assist gas AG.
  • the gas supply device 51 has gas input ports P1 and P2 on the gas inlet side. Further, a gas output port P3 is provided on the gas outlet side.
  • the compressed air A1 is supplied from the compressed air source AR to the gas input port P1.
  • As the compressed air A1 for example, compressed air that is generally supplied through piping in a factory can be used.
  • a high-pressure nitrogen gas C1 is supplied from the nitrogen gas source N to the gas input port P2.
  • the nitrogen gas C1 is a gas having a nitrogen purity of 100% supplied from, for example, a commercially available nitrogen cylinder.
  • the nitrogen gas C1 is also referred to as pure nitrogen gas C1.
  • the gas output port P3 and the assist gas supply port 13a of the laser processing head 13 are connected by a conduit [delivery path] Rh which is a channel piping [flow pipe] (conducting piping [delivery pipe]).
  • the gas output from the gas output port P3 is supplied to the laser processing head 13 as the assist gas AG.
  • the gas supply device 51 includes a main passage [main delivery path] R1 as a flow passage pipe (conducting pipe) connecting the gas input port P1 and the gas output port P3.
  • a main passage [main delivery path] R1 as a flow passage pipe (conducting pipe) connecting the gas input port P1 and the gas output port P3.
  • the filter 2 the solenoid valve 3a, the separation device 4, the check valve [check [valve] 7a, the tank 8, the check valve 7b, the mixing ratio control valve [mixture]
  • a ratio control valve (mixing valve) 10 a flow meter 11, a solenoid valve 3b, and an electropneumatic regulator 12 are arranged in series. Both the check valve 7a and the check valve 7b allow only the flow from the upstream (gas input port P1 side) to the downstream (gas output port P3 side).
  • the gas supply device 51 is branched from the main passage R1 upstream from the separation device 4 and is branched to the main passage R1 downstream from the separation device 4 (branched delivery path) (first passage). Piping) R2.
  • the upstream side of the branch conduit R2 (branch connection [path] R2a) is connected to the main path R1 at the branch portion D1 between the filter 2 and the electromagnetic valve 3a.
  • the downstream side (branch connection path R2b) of the branch conduit R2 is connected to the mixing ratio control valve 10 on the main path R1.
  • the branch conduit R2 includes an electromagnetic valve 3c, a check valve 7c, and an equal pressure valve [equalizing valve] 9 between the branch connection passage R2a and the branch connection passage R2b in order from the upstream branch connection passage R2a. They are arranged in series.
  • the check valve 7c only allows a flow from the branch connection path R2a to the branch connection path R2b.
  • the gas supply device 51 includes a nitrogen channel [nitrogen delivery ⁇ path] (second channel) that connects the gas input port P2 and the junction D2 between the check valve 7c and the equal pressure valve 9 on the branch channel R2. Piping) R3.
  • a regulator 14 In the nitrogen conduit R3, a regulator 14, an electromagnetic valve 3d, and a check valve 7d are arranged in series in this order from the gas input port P2 side.
  • the regulator 14 is a manual regulator.
  • the check valve 7d allows only the flow toward the merging portion D2.
  • the NC device 21 outside the gas supply device 51 (for example, the laser processing machine 52).
  • the NC device 21 has a central processing unit (CPU) 21a and a storage unit 21b.
  • the storage unit 21b stores a residual oxygen concentration table as a characteristic of the separation device 4. In the residual oxygen concentration table, the relationship between the consumption flow rate QA of the compressed air A1 and the residual oxygen concentration that is the concentration of oxygen that is not separated from the compressed air A1 is recorded.
  • the main path R1 is opened and closed by the electromagnetic valve 3a and the electromagnetic valve 3b.
  • the branch conduit R2 is opened and closed by an electromagnetic valve 3c.
  • the nitrogen conduit R3 is opened and closed by an electromagnetic valve 3d. Specifically, a two-closed state where both the solenoid valve 3c and the solenoid valve 3d are closed, and a one-open state where only one of the solenoid valve 3c and the solenoid valve 3d is opened [one- One of the open states is selectively performed.
  • Compressed air A1 is supplied from the gas input port P1 with the solenoid valve 3a and the solenoid valve 3b being opened. When the compressed air A1 passes through the filter 2, the aerosol contained in the compressed air A1 is removed. The compressed air A1 that has passed through the filter 2 passes through the branch portion D1 and flows into the separation device 4 as compressed air A1a.
  • the branch conduit R2 When the electromagnetic valve 3c is closed, the branch conduit R2 is closed, and the compressed air A1 does not flow into the branch connection passage R2a of the branch conduit R2.
  • the branch conduit R2 When only the solenoid valve 3c is opened, the branch conduit R2 is opened, and a part of the compressed air A1 flows from the branch portion D1 into the branch conduit R2 as compressed air A2.
  • the separation device 4 contains a hollow fiber membrane that is more permeable to oxygen than nitrogen, and separates the nitrogen-rich gas from the compressed air (see step S10 in FIG. 3).
  • the separation device 4 includes an inlet 4a, an outlet 4b where the compressed air A1a flowing from the inlet 4a reaches without passing through the hollow fiber membrane, and an outlet where the compressed air A1a flowing from the inlet 4a reaches through the hollow fiber membrane 4c. Therefore, the oxygen rich gas B mainly composed of oxygen that has passed through the hollow fiber membrane is discharged from the outlet 4c. Since the oxygen-rich gas B is not used as the assist gas AG, it is released into the air.
  • the nitrogen rich gas A1b having a higher nitrogen concentration than the compressed air A1a due to the oxygen discharged from the outlet 4c is discharged from the outlet 4b. Since the flow direction of the nitrogen-rich gas A1b discharged from the outlet 4b is the direction allowed by the check valves 7a and 7b, the nitrogen-rich gas A1b passes through the check valve 7a and is stored in the tank 8 and mixed. It flows into the ratio control valve 10.
  • the mixing ratio control valve 10 has two input ports.
  • the nitrogen rich gas A1b flows into one of the two input ports.
  • the mixing ratio control valve 10 adjusts the mixing ratio of the gas flowing in from one of the two input ports and the gas flowing in from the other, and causes the mixed gas having a desired mixing ratio ⁇ to flow out.
  • the mixing ratio control valve 10 is an externally controllable mixing valve device, and the adjustment of the mixing ratio is controlled by the NC device 21.
  • the NC device 21 sets the mixing ratio ⁇ .
  • the NC device 21 controls the valve operation of the mixing ratio control valve 10 by sending a valve command J2 (see FIG. 2) that realizes the valve opening degree at which the mixing ratio ⁇ is obtained to the mixing ratio control valve 10.
  • the compressed air A2 is connected to the solenoid valve 3c and the check valve. It passes through the valve 7 c and flows into the other of the two input ports of the mixing ratio control valve 10 through the isobaric valve 9.
  • the isobaric valve 9 generally has a function of reducing the pressure of the high-pressure flow so as to match the pressure of the low-pressure flow with respect to the flows in the two flow pipes.
  • the equal pressure valve 9 of the gas supply device 51 introduces the nitrogen rich gas A1b at the position D3 immediately before the mixing ratio control valve 10 on the main passage (conducting pipe) R1, and the pressure Pa of the introduced nitrogen rich gas A1b. Based on the above, the pressure of the compressed air A2 is reduced. By this pressure reduction, the pressure Pb of the compressed air A2a flowing into the mixing ratio control valve 10 from the branch connection path R2b is made equal to the pressure Pa.
  • isobaric nitrogen-rich gas A1b and compressed air A2a flow into the mixing ratio control valve 10.
  • the ratio of the flow rate of the compressed air A2a to the flow rate of the nitrogen rich gas A1b is defined as a mixing ratio ⁇ .
  • Nitrogen rich gas A1c flows out of the mixture ratio control valve 10 as a mixed gas in which the nitrogen rich gas A1b and the compressed air A2a are mixed at a desired mixing ratio ⁇ .
  • the flow rate QNr of the nitrogen rich gas A1c is measured by the flow meter 11 (see step S20 in FIG. 3).
  • the flow meter 11 outputs the measurement result to the NC device 21 as flow rate information J1 (see FIG. 2).
  • the NC device 21 calculates the nitrogen purity of the nitrogen-rich gas A1c based on the flow rate information J1 and the opening state (mixed state) of the valve command J2 described above, and compares it with the desired nitrogen purity to be set.
  • the opening state of the mixing ratio control valve 10 is finely adjusted so that the difference between the nitrogen purity and the desired nitrogen purity is as small as possible.
  • the nitrogen-rich gas A1c that has passed through the flow meter 11 flows out of the gas supply device 51 from the gas output port P3 through the electromagnetic valve 3b and the electropneumatic regulator 12, and is supplied to the laser processing head 13 as the assist gas AG.
  • the electropneumatic regulator 12 is controlled by the NC device 21 and adjusts the pressure of the assist gas AG flowing out from the gas output port P3.
  • the nitrogen conduit R3 is connected from the gas input port P2 to the junction D2 on the upstream side of the equal pressure valve 9 on the branch conduit R2.
  • the solenoid valve 3d is opened (and the solenoid valve 3c is closed) and the nitrogen conduit R3 is opened, nitrogen gas C1 flows from the gas input port P2 into the nitrogen conduit R3.
  • the pressure of the inflowing nitrogen gas C1 is adjusted in advance by the regulator 14 slightly higher than the pressure of the compressed air A1. By this adjustment, the equal pressure adjustment by the equal pressure valve 9 becomes possible.
  • the nitrogen gas C1 whose pressure has been adjusted by the regulator 14 passes through the electromagnetic valve 3d and the check valve 7d and flows into the branch conduit R2 at the junction D2.
  • the gas supply device 51 having the above-described configuration opens the electromagnetic valve 3a and closes the electromagnetic valve 3c and the electromagnetic valve 3d, the nitrogen rich gas A1b separated by the separation device 4 is directly used as a nitrogen rich gas A1c as a gas output port. It flows out from P3 and is supplied to the laser processing head 13 as an assist gas AG.
  • the nitrogen purity of the nitrogen-rich gas A1b depends on the characteristics of the separation device 4 and varies according to the consumption flow rate QA of the compressed air A1.
  • the calculated nitrogen purity is referred to as calculated nitrogen purity NJm.
  • the desired nitrogen purity of the assist gas AG set based on the processing conditions of the laser processing head 13 is referred to as set nitrogen purity (target nitrogen purity [target nitrogen purity]) NJs.
  • the NC device 21 compares the calculated nitrogen purity NJm with the set nitrogen purity NJs (see steps S40 and S60 in FIG. 3), and the calculated nitrogen purity NJm is larger (NJm> NJs) and smaller (NJm ⁇ NJs). ) And different controls on nitrogen purity.
  • control when NJm> NJs is referred to as mode M1 (nitrogen purity lowering operation) (see step S50 in FIG. 3), and control when NJm ⁇ NJs is referred to as mode M2 (nitrogen purity increasing operation).
  • mode M1 nitrogen purity lowering operation
  • mode M2 nitrogen purity increasing operation
  • the states of the solenoid valves 3a to 3d in the modes M1 and M2 are shown in [Table 1] below.
  • the electromagnetic valves 3c and 3d function as a switching device that selectively connects one of the branch conduit R2 and the nitrogen conduit R3 to the mixing ratio control valve 10.
  • the NC device 21 opens the electromagnetic valves 3a, 3b and 3c and closes the electromagnetic valve 3d.
  • the compressed air A2a is mixed with the nitrogen rich gas A1b.
  • the difference between the pressure of the nitrogen rich gas A1b and the pressure of the compressed air A2a is substantially eliminated by the action of the isobaric valve 9. Therefore, the above-described mixing ratio ⁇ can be adjusted with high accuracy in accordance with the opening degree of the mixing ratio control valve 10.
  • the NC device 21 obtains the calculated nitrogen purity NJm of the nitrogen-rich gas A1c, which is the mixed gas, by calculation based on the opening state of the valve command J2 and the flow rate information J1 of the flow meter 11. Then, the NC device 21 finely adjusts the valve opening degree of the mixing ratio control valve 10 so that the difference between the calculated nitrogen purity NJm and the set nitrogen purity NJs is eliminated.
  • the nitrogen purity of the compressed air A2a is lower than the nitrogen purity of the nitrogen rich gas A1b. For this reason, the nitrogen purity of the nitrogen rich gas A1c obtained by mixing the compressed air A2a by the mixing ratio control valve 10 is lower than the nitrogen rich gas A1b before mixing.
  • the nitrogen purity of the nitrogen-rich gas A1c is adjusted and maintained with high accuracy to the set nitrogen purity NJs by fine adjustment of the valve opening of the mixing ratio control valve 10.
  • the NC device 21 opens the electromagnetic valves 3a, 3b and 3d and closes the electromagnetic valve 3c.
  • Nitrogen gas C1 flows into the branch conduit R2 from the junction D2, and flows into the mixing ratio control valve 10 from the branch connection passage R2b via the equal pressure valve 9.
  • the nitrogen-rich gas A1b and the nitrogen gas C1 having the same pressure flow into the mixing ratio control valve 10. Therefore, the above-described mixing ratio ⁇ can be adjusted with high accuracy in accordance with the opening degree of the mixing ratio control valve 10.
  • the NC device 21 finely adjusts the valve opening degree of the mixing ratio control valve 10 so that the difference between the calculated nitrogen purity NJm and the set nitrogen purity NJs is eliminated in both modes M1 and M2.
  • the nitrogen purity of the nitrogen gas C1 is higher than the nitrogen purity of the nitrogen rich gas A1b. For this reason, the nitrogen purity of the nitrogen rich gas A1c obtained by mixing the nitrogen gas C1 with the mixing ratio control valve 10 is higher than the nitrogen rich gas A1b before mixing.
  • the nitrogen purity of the nitrogen-rich gas A1c is adjusted and maintained with high accuracy to the set nitrogen purity NJs by fine adjustment of the valve opening of the mixing ratio control valve 10.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the flow rate QA of the compressed air A1 and the flow rate QNr of the nitrogen rich gas A1b (included in the mixed nitrogen rich gas A1c), that is, the characteristic Q in the control of the mode M1.
  • the maximum consumption flow rate QAmax on the horizontal axis is the maximum supply flow rate of the compressed air A1 that can be supplied by the compressor CP.
  • the maximum flow rate QNrmax on the vertical axis corresponds to the maximum flow rate measured by the flow meter 11.
  • the separation device 4 separates the nitrogen-rich gas A1b from the compressed air A1 in a range where the consumed flow rate QA exceeds a predetermined separation reference flow rate QA1 due to its function. That is, as for the characteristic Q, the flow rate QNr is obtained at the separation reference flow rate QA1 or more.
  • the nitrogen rich gas A1c along the characteristic Q is obtained.
  • the flow rate QNrb of the nitrogen rich gas A1b is used as it is as the flow rate of the nitrogen rich gas A1c.
  • the compressed air A2a corresponding to the maximum flow rate MQ may be mixed. it can.
  • the flow rate MQ corresponds to (QAmax ⁇ QAb) related to the consumed flow rate QA. That is, in the gas supply device 51, the consumption flow rate of the compressed air A2a mixed when obtaining the mixed gas (nitrogen rich gas A1c) with respect to the nitrogen rich gas A1b of the consumption flow rate QAb is the capability range of the compressor CP in a normal usage mode. It can be covered with surplus compressed air. Thereby, in order to mix compressed air A2a, it is not necessary to enlarge compressor CP, and can suppress a cost increase.
  • the gas supply device 51 and the NC device 21 calculate the nitrogen rich gas A1c flowing out from the gas output port P3 based on the nitrogen rich gas A1b separated by the separation device 4 using the hollow fiber membrane.
  • the purity NJm is compared with the set nitrogen purity NJs of the assist gas AG set to be supplied to the laser processing head.
  • the gas supply device 51 and the NC device 21 are either compressed air A2a or nitrogen gas C1 (purity 100%) according to the relationship between the calculated nitrogen purity NJm obtained by comparison and the set nitrogen purity NJs.
  • One is selectively mixed with the nitrogen-rich gas A1b, and the nitrogen purity of the nitrogen-rich gas A1c is adjusted to a predetermined set nitrogen purity NJs (nitrogen purity adjusting operation).
  • the nitrogen rich gas A1c obtained by the nitrogen purity adjusting operation is supplied to the laser processing head 13 as an assist gas AG.
  • the calculated nitrogen purity NJm is a nitrogen purity calculated based on the flow rate QNr of the nitrogen-rich gas A1c (or the oxygen concentration of modified examples 1 to 3 described later) and the oxygen separation characteristics of the separation device 4.
  • the calculated nitrogen purity NJm of the nitrogen rich gas A1c is higher than the set nitrogen purity NJs
  • the compressed air A2a is mixed with the nitrogen rich gas A1b (mode M1).
  • the nitrogen gas C1 is mixed with the nitrogen rich gas A1b (mode M2).
  • the tank 8 for storing the nitrogen-rich gas A1b is disposed on the downstream side of the separation device 4 on the main path R1 via the check valve 7a.
  • the nitrogen rich gas A1b is stably supplied to the mixing ratio control valve 10.
  • the mixing ratio ⁇ of the mixing ratio control valve 10 is kept constant, and the nitrogen-rich gas A1c (that is, the assist gas AG) is derived from the gas output port P3 with its flow rate QNr and nitrogen purity stabilized.
  • the gas supply device 51 mixes the compressed air A2a with the nitrogen-rich gas A1b when the nitrogen purity of the nitrogen-rich gas A1c is lowered. Thereby, it is not necessary to separately procure a mixing gas for lowering the nitrogen purity. Moreover, it is possible to easily cope with the nitrogen purity lowering process only by laying the piping in the gas supply device 51 and to suppress the cost increase.
  • the gas supply device 51 uses the isobaric valve 9 to equalize the pressure of the nitrogen rich gas A1b and the pressure of the compressed air A2a or the nitrogen gas C1 flowing into the mixing ratio control valve 10.
  • the mixing ratio ⁇ in the mixing ratio control valve 10 is stabilized with high accuracy regardless of the consumption flow rate QA. Therefore, the nitrogen purity of the nitrogen rich gas A1c (assist gas AG) is stabilized with high accuracy regardless of the consumption flow rate QA.
  • the concentration of the nitrogen rich gas A1c can be stabilized immediately after the supply of the compressed air A1a to the separation device 4 is started.
  • the separation device 4 has a characteristic that the higher the pressure of the compressed air A1a that passes through the separation device 4, the higher the purity of the nitrogen-rich gas A1b.
  • the separation device 4 also has a characteristic that when the electromagnetic valve 3a is closed and the supply of the compressed air A1a is stopped, the internal pressure escapes from the oxygen rich gas B outlet 4c and becomes atmospheric pressure.
  • the internal pressure of the separation device 4 gradually increases from the atmospheric pressure, so that the concentration of nitrogen rich gas via the separation device 4 also changes gradually. To do. Therefore, if the mixture proportional control valve is supplied as it is, neither the nitrogen-rich gas A1b nor the mixed nitrogen-rich gas A1c becomes a predetermined concentration. Therefore, when the tank 8 is installed downstream of the separation device 4, immediately after the supply of the compressed air A1a to the separation device 4 is started, a predetermined concentration of nitrogen-rich gas stored in the tank 8 flows into the mixing ratio control valve 10 from A1b. Therefore, the concentration of the nitrogen rich gas A1c after mixing is stable.
  • the concentration of the nitrogen-rich gas passing through the separator 4 immediately after the start of the supply of the compressed air A1a to the separator 4 by opening the electromagnetic valve 3a is not stable, but the gas is thinly diluted to the nitrogen-rich gas A1b stored in the tank 8. Therefore, the concentration change of the nitrogen rich gas in the tank and the concentration change of the nitrogen rich gas A1c after mixing can be moderated.
  • the mixing ratio control valve 10 has a mechanism in which the internal valve for the other gas is closed in proportion to the opening of the internal valve for the one gas. Therefore, the mixing ratio correlates with the valve opening (valve position) of the equal pressure valve 9. If there is a pressure difference between the two types of gases, it will be difficult to mix the low-pressure gas. Further, since the mixing ratio is also affected by the pressure difference, it is necessary to control the pressure difference.
  • the pressure control by the equal pressure valve 9 as in this embodiment is simple because the mixing ratio is determined by the valve opening. Further, a complicated mixing mechanism may be required for mixing gases having a pressure difference, but the configuration of the present embodiment does not require such a mixing mechanism.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment (configuration and procedure), and can be modified without departing from the gist of the present invention.
  • the mixing valve for mixing two kinds of gases is not limited to the mixing ratio control valve 10.
  • an orifice valve may be arranged as a mixing valve in each of the main path R1 and the branch connection path R2b, and the mixing ratio ⁇ may be adjusted by adjusting the valve opening degree of each orifice valve.
  • An electropneumatic regulator may be arranged in place of the isobaric valve 9 on the branch conduit R2.
  • a pressure sensor for measuring the pressure of the nitrogen rich gas A1b is attached to a position D3 on the main path R1.
  • the NC device 21 controls the pressure reduction by the electropneumatic regulator based on the detection signal from the pressure sensor, and equalizes the pressure of the compressed air A2a and the pressure of the nitrogen rich gas A1b.
  • An oxygen concentration meter [oxygen meter] that measures the oxygen concentration [oxygen concentration] may be arranged in a section between the separation device 4 and the mixing ratio control valve 10 on the main path R1 (Modification 1). .
  • the oximeter 15 is connected between the tank 8 and the check valve 7b (measurement position D4) via the valve 16a.
  • the NC device 21 adjusts the nitrogen purity of the assist gas AG supplied to the laser processing head 13 in the following procedures (S1) to (S5). First, procedures (S1) to (S3) are performed in advance by the NC device 21, and the relationship between the flow rate of the nitrogen-rich gas A1b and the oxygen concentration is acquired as an approximate curve.
  • the approximate calculation nitrogen purity NJmk can be calculated based on the oxygen concentration (Y) measured by the oxygen concentration meter 15 during the nitrogen purity adjustment operation.
  • the NC device 21 controls the electromagnetic valves 3c and 3d according to the gas selection result, and adjusts the opening degree of the mixing ratio control valve 10 based on the calculation result of the mixing ratio ⁇ . Thereby, the nitrogen purity of the assist gas AG supplied to the laser processing head 13 can be matched with the set nitrogen purity NJs.
  • the calculated nitrogen purity NJm is calculated using the residual oxygen concentration table (in addition, an oxygen concentration meter such as the oxygen concentration meter 15 of the first modification is used when creating the residual oxygen concentration table).
  • the approximate calculated nitrogen purity NJmk is calculated using an approximate expression (created using the oxygen concentration meter 15). Note that the measurement value of the oxygen concentration meter 15 can be used instead of the residual oxygen concentration table or the approximate expression. However, considering the response delay of the oximeter 15 and the like, it is preferable to control the nitrogen purity using a residual oxygen concentration table or an approximate expression.
  • the oxygen concentration meter 15 may be connected to a position downstream of the mixing ratio control valve 10 on the main path R1 (Modification 2).
  • an oximeter 15 is connected between the mixing ratio control valve 10 and the flow meter 11 (measurement position D5) via a valve 16b.
  • the nitrogen purity of the nitrogen-rich gas A1c is maintained at the set nitrogen purity NJs with high accuracy.
  • the nitrogen purity can be adjusted with higher accuracy by feedback control.
  • the oxygen concentration meter 15 may be provided as shown in FIG. 7 by integrating the first and second modified examples (modified example 3).
  • fine feedback for setting the mixing ratio ⁇ is possible by alternately opening and closing the valves 16a and 16b and alternately measuring the oxygen concentration on the upstream side and downstream side of the mixing ratio control valve 10. It becomes. Therefore, it becomes easy to find problems such as a failure of the mixing ratio control valve 10.
  • the mixing ratio ⁇ is adjusted by the mixing ratio control valve 10.
  • the main path R1 (or branch path R2) may be provided as a plurality of paths, and an orifice valve and an opening / closing valve may be disposed in each of the plurality of paths. Good.
  • the flow rate of the gas flowing through the main path R1 (or the branch path R2) can be adjusted stepwise.
  • the mixing ratio ⁇ may be set as a fixed value depending on the intended use of the gas supply device 51.
  • a fixed type mixing ratio control valve 10 that cannot be externally controlled may be used.
  • the branch conduit R2 and the nitrogen conduit R3 may be switched by a configuration other than the electromagnetic valves 3c and 3d.
  • the conduit instead of the electromagnetic valves 3c and 3d, the conduit may be selectively switched by arranging a three-way valve.
  • This embodiment has a configuration according to the above-described first embodiment (and its modifications). Accordingly, the same or equivalent components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted.
  • a table and approximate curve are created in advance, and the nitrogen purity is controlled based on the measurement result of the flow meter and the table and approximate curve.
  • the relationship between the command value (concentration) to the mixing ratio control valve 10 and the mixing ratio (valve opening / valve position) is created as a table (will be described in detail later). If the mixing ratio between the nitrogen-rich gas A1b flowing into the mixing ratio control valve 10 and the compressed air A2a / nitrogen gas C1 is determined, the nitrogen purity of the nitrogen-rich gas A1c flowing out from the mixing ratio control valve 10 is determined.
  • a regulator 17 and a booster 18 are provided in place of the flow meter 11.
  • the booster 18 sucks in the nitrogen-rich gas A1c at the set pressure of the regulator 17, the nitrogen-rich gas A1c having a flow rate corresponding to the set pressure flows out from the mixing ratio control valve 10, so that the nitrogen purity of the nitrogen-rich gas A1c is highly accurate. To stabilize.
  • the configuration of the gas supply device 51 in the present embodiment will be described. Only a configuration different from the above-described first embodiment will be described.
  • the nitrogen-rich gas A1b and the compressed air A2a / nitrogen gas C1 are mixed by the mixing ratio control valve 10 by drawing the gas with the booster 18, so that the control of the nitrogen purity can be stabilized.
  • a tank 19 is provided downstream of the booster 18 instead of the tank 8 in the first embodiment.
  • the tank 8 and the tank 19 are provided in order to obtain substantially the same effect of gradually changing the concentration of nitrogen-rich gas after the start of the supply of compressed air to the above-described separation device. Is omitted, a tank 8 may also be provided.
  • a check valve 7e is also provided between the equal pressure valve 9 and the mixing ratio control valve 10.
  • the check valve 7e may be provided in the first embodiment or a modified example. Further, the connection position D3 of the equal pressure valve 9 to the main path R1 is immediately after the separation device 4.
  • an oxygen concentration meter 15 is provided at the measurement position D5 on the downstream side of the mixing ratio control valve 10 as in the above-described modification 2 (see FIG. 6).
  • the oxygen concentration meter 15 is necessary when the above-described command value table is created in advance, and is not necessarily required when the assist gas AG is actually supplied to the laser processing head 13.
  • a regulator 17 is provided downstream of the measurement position D5.
  • the regulator 17 is a manual regulator.
  • a booster 18 is provided downstream of the regulator 17.
  • the booster operates in response to a change in pressure in the tank. Specifically, the operation is performed when the internal pressure of the tank reaches a set lower limit value, and the operation is stopped when the tank reaches a set upper limit value.
  • the pressure of the nitrogen rich gas A1c drawn by the booster 18 is regulated by the regulator 17 to be constant.
  • the booster 18 takes in the nitrogen rich gas A1c at a constant flow rate.
  • the fact that the nitrogen-rich gas A1c is taken into the booster 18 at a constant flow rate is the same as the flow rate of the nitrogen-rich gas A1c flowing out from the mixing ratio control valve 10 is constant. Therefore, since the nitrogen rich gas A1b and the compressed air A2a / nitrogen gas C1 are stably mixed at a constant flow rate by the mixing ratio control valve 10, the nitrogen concentration (nitrogen purity) of the nitrogen rich gas A1c is controlled with high accuracy.
  • a buffer tank 19 is provided downstream of the booster 18.
  • the nitrogen rich gas A1c discharged from the booster 18 is pushed into the buffer tank 19 and stored in the buffer tank 19.
  • the nitrogen rich gas A1c stored in the buffer tank 19 is supplied to the laser processing head 13 as an assist gas AG by the electromagnetic valve 3b and the electropneumatic regulator 12 as in the first embodiment.
  • the nitrogen rich gas A1c in the buffer tank 19 is reduced, the booster 18 is started, and the nitrogen rich gas A1c is further generated by the mixing ratio control valve 10 and replenished to the buffer tank 19.
  • This table is created for both the modes M1 and M2 described above (created as one table in this embodiment).
  • the relationship between the command value (concentration) to the mixing ratio control valve 10 and the mixing ratio (valve opening / valve position) is created as a table using the oxygen concentration meter 15.
  • the command values 0 to 100 for the mixing ratio control valve 10 for mixing the nitrogen rich gas A1b from the separator 4 and the nitrogen gas C1 from the nitrogen conduit R3 are created.
  • (nitrogen gas C1: nitrogen rich gas A1b) (99: 1).
  • command values 2 to 99 are created.
  • the command values 101 to 201 to the mixing ratio control valve 10 when the nitrogen rich gas A1b from the separator 4 and the compressed air A2a from the nitrogen conduit R2 are mixed are created.
  • (compressed air A2a: nitrogen rich gas A1b) (0: 100) is mixed.
  • the oxygen concentration (that is, the nitrogen concentration) of the nitrogen-rich gas A1c obtained when the mixing ratio control valve 10 is controlled by these command values (valve opening / valve position, that is, the mixing ratio) is Detected. Thereby, the oxygen concentration (namely, nitrogen concentration) corresponding to each command value (mixing ratio) is determined.
  • the oxygen concentration (nitrogen concentration) required for laser processing varies depending on the material and thickness of the workpiece, the processing speed, the laser type, etc. However, the oxygen concentration (nitrogen concentration) used for laser processing is determined to some extent. Therefore, only command values that are considered to be used are selected in advance from the command values 0 to 201 described above. For example, 16 command values (11, 15, 26, 71, 80, 85, 89, 93, 97, 103, 105, 107, 109, 114, 129, 200) are selected. This command value includes both the mode M1 and the mode M2. The smaller the command value, the lower the oxygen concentration (that is, the higher the nitrogen concentration).
  • all or part of the selected command value is displayed on the display panel of the NC device 21 and selected by the operator.
  • the command value is displayed in association with the corresponding oxygen concentration (nitrogen concentration).
  • oxygen concentration nitrogen concentration
  • the flow rate of the nitrogen rich gas A1c flowing out from the mixing ratio control valve 10 is controlled to be constant with high accuracy. Therefore, as long as the valve opening / valve position (command value) of the mixing ratio control valve 10 is determined, the mixing ratio can be matched with high accuracy. Therefore, the nitrogen purity of the nitrogen-rich gas A1c can be stably controlled with high accuracy.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Accessories For Mixers (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

アシストガス供給方法によって、圧縮空気（Ａ１）から窒素リッチガス（Ａ１ｂ）が取得されて当該窒素リッチガス（Ａ１ｂ）がアシストガス（ＡＧ）としてレーザ加工ヘッド（１３）に供給される。窒素よりも酸素を透過し易い中空糸膜を備えた分離装置（４）を用いて圧縮空気（Ａ１）から窒素リッチガス（Ａ１ｂ）が分離される。分離された窒素リッチガス（Ａ１ｂ）に圧縮空気（Ａ１）を混合して窒素純度を下げる窒素純度低下動作、及び、分離された窒素リッチガス（Ａ１ｂ）に窒素ガス（Ｃ１）を混合して窒素純度を上げる窒素純度上昇動作のいずれか一方を実行することで、アシストガス（ＡＧ）として供給される窒素リッチガス（Ａ１ｂ）の窒素純度が調整される。

Description

アシストガス供給方法及び装置
　本発明は、アシストガス供給方法及び装置[a method and an apparatus for supplying an assist gas]に関する。
　窒素よりも酸素を透過し易い中空糸膜[hollow fiber membrane]（例えば、ポリイミド製中空糸膜）を用いて窒素リッチガス[nitrogen-rich gas]を得る分離装置[separation device]が知られている。下記特許文献１は、このような分離装置を利用して圧縮空気から分離した窒素リッチガスを、アシストガスとしてレーザ加工ヘッドに供給するアシストガス供給装置を開示している。
日本国特許第３２９１１２５号公報
　一般に、中空糸膜を用いた分離装置で得られる窒素リッチガスの窒素純度[nitrogen purity]は、窒素リッチガスの消費流量[consumption flow volume]が多いほど低下する。その理由は、中空糸膜を透過しないで残存する酸素の濃度（残留酸素濃度）が消費流量に依存して、消費流量が多いほど残留酸素濃度が高くなるからである。
　一方、レーザ加工において窒素リッチガスをアシストガスとして用いる場合、アシストガスの窒素純度は流量によらず一定に維持されることが望ましい。窒素純度の変動は実質的には酸素濃度の変動であり、レーザ加工においてアシストガスの酸素濃度が変動すると、例えば、切断面に形成される酸化被膜の膜厚やドロス[dross]の発生量が影響を受ける。この結果、製品品質が安定しないことがある。
　特許文献１に開示されたアシストガス供給装置は、分離装置で得られた窒素リッチガスをレーザ加工ヘッドに供給する第１導管と、分離装置で分離した酸素を再度窒素リッチガスに混合するために分離装置と第１導管とを繋ぐ第２導管と、第１及び第２導管それぞれに設けられた圧力制御弁と、を備えている。圧力制御弁によって窒素リッチガスに混入させる酸素の量を調整することで、窒素純度が制御される。
　しかし、特許文献１に開示されたアシストガス供給装置は、消費流量が比較的多いときに窒素純度の高い窒素リッチガスを得にくく、逆に、消費流量が比較的少ないときに窒素純度が必要以上に高くなる場合がある。また、分離装置で分離された後に窒素リッチガスに再混合される酸素の濃度が消費流量によって変動するので、混合する酸素量の調整が難しい。
　本発明の目的は、中空糸膜を用いた分離装置を用いて分離するアシストガス用の窒素リッチガスの窒素純度を、消費流量によらず安定的かつ容易に所望純度に維持することのできる、アシストガス供給方法及び装置を提供することである。
　本発明の第１の特徴は、圧縮空気から窒素リッチガスを取得し、アシストガスとしてレーザ加工ヘッドに供給するアシストガス供給方法であって、窒素よりも酸素を透過し易い中空糸膜を備えた分離装置を用いて前記圧縮空気から前記窒素リッチガスを分離する窒素リッチガス分離ステップと、分離された前記窒素リッチガスに前記圧縮空気を混合して窒素純度を下げる窒素純度低下動作（後述するモードＭ１）、及び、分離された前記窒素リッチガスに窒素ガスを混合して窒素純度を上げる窒素純度上昇動作（後述するモードＭ２）のいずれか一方を実行することで、前記アシストガスとして供給される前記窒素リッチガスの前記窒素純度を調整する窒素純度調整ステップと、を備えたアシストガス供給方法を提供する。
　本発明の第２の特徴は、圧縮空気から窒素リッチガスを取得し、アシストガスとしてレーザ加工ヘッドに供給するアシストガス供給装置であって、窒素よりも酸素を透過し易い中空糸膜を用いて前記圧縮空気から前記窒素リッチガスを分離する分離装置と、前記分離装置で分離された前記窒素ガスを前記レーザ加工ヘッドへ導く導路配管（後述する導管Ｒ１及びＲｈ）と、前記導路配管上に配置され、前記分離装置で分離された前記窒素リッチガスに混合比率可変で他のガスを混合する混合弁と、第１ガスを前記混合弁に導入するための第１導路配管（後述する導管Ｒ２）と、第２ガスを前記混合弁に導入するための第２導路配管（後述する導管Ｒ２）と、前記第１ガス及び前記第２ガスのいずれか一方を前記他のガスとして前記混合弁に導入するために前記第１導路配管及び前記第２導路配管のいずれか一方を前記混合弁に選択的に接続するための切り替え弁装置と、を備え、前記第１ガスが前記圧縮空気であり、前記第２ガスが窒素ガスであり、前記切り替え弁装置が前記第１導路配管を選択したときに前記窒素リッチガスの窒素純度が低くなり、前記切り替え弁装置が前記第２導路配管を選択したときに前記窒素リッチガスの窒素純度が高くなる、アシストガス供給装置を提供する。
図１は、第１実施形態に係るアシストガス供給装置の構成図である。 図２は、アシストガス供給装置を制御するＮＣ装置のブロック図である。 図３は、上記アシストガス供給装置による窒素純度調整動作のフローチャートである。 図４は、圧縮空気の消費流量と窒素リッチガスの流量との関係を示すグラフである。 図５は、酸素濃度計を備えた変形例１の部分構成図である。 図６は、酸素濃度計を備えた変形例２の部分構成図である。 図７は、酸素濃度計を備えた変形例３の部分構成図である。 図８は、第２実施形態に係るアシストガス供給装置の構成図である。
　第１実施形態に係るアシストガス供給装置５１（以下、ガス供給装置５１と称する）の構成を、図１を参照しつつ説明する。ガス供給装置５１は、コンプレッサＣＰを有する圧縮空気源ＡＲと、レーザ加工機[laser processing machine]５２のレーザ加工ヘッド[laser processing head]１３と、の間に配置されている。ガス供給装置５１は、主に圧縮空気源ＡＲから取得した窒素リッチガスをアシストガスＡＧとしてレーザ加工ヘッド１３に供給する。
　ガス供給装置５１は、ガスの入口側としてガス入力ポートＰ１及びＰ２を有している。また、ガスの出口側としてガス出力ポートＰ３を有している。ガス入力ポートＰ１には、圧縮空気源ＡＲから圧縮空気Ａ１が供給される。圧縮空気Ａ１としては、例えば、一般的に工場内の配管を通して供給されている圧縮空気を使用できる。ガス入力ポートＰ２には、窒素ガス源Ｎから高圧の窒素ガスＣ１が供給される。窒素ガスＣ１は、例えば市販の窒素ボンベなどから供給される窒素純度１００％のガスである。以下、窒素ガスＣ１を純窒素ガスＣ１とも称する。ガス出力ポートＰ３とレーザ加工ヘッド１３のアシストガス供給口１３ａとは流路配管[flow pipe]（導路配管[delivery pipe]）である導路[delivery path]Ｒｈで接続されている。ガス出力ポートＰ３から出力されたガスは、アシストガスＡＧとしてレーザ加工ヘッド１３に供給される。
　ガス供給装置５１は、ガス入力ポートＰ１とガス出力ポートＰ３との間を繋ぐ流路配管（導路配管）として主導路[main delivery path]Ｒ１を備えている。主導路Ｒ１には、上流のガス入力ポートＰ１側から順に、フィルタ２、電磁弁３ａ、分離装置４、逆止弁[check valve]７ａ、タンク８、逆止弁７ｂ、混合比率制御弁[mixture ratio control valve]（混合弁）１０、流量計[flowmeter]１１、電磁弁３ｂ、及び、電空レギュレータ[electropneumatic regulator]１２が直列配置されている。逆止弁７ａ及び逆止弁７ｂは、いずれも上流（ガス入力ポートＰ１側）から下流（ガス出力ポートＰ３側）へ向かう流れのみを許容する。
　ガス供給装置５１は、分離装置４よりも上流で主導路Ｒ１上から分岐され、かつ、分離装置４よりも下流で主導路Ｒ１に合流される分岐導路[branched delivery path]（第１導路配管）Ｒ２を備えている。本実施形態では、分岐導路Ｒ２の上流側（分岐接続路[branch connection path]Ｒ２ａ）は、フィルタ２と電磁弁３ａとの間の分岐部Ｄ１で主導路Ｒ１と接続されている。また、分岐導路Ｒ２の下流側（分岐接続路Ｒ２ｂ）は、主導路Ｒ１上の混合比率制御弁１０に接続されている。
　分岐導路Ｒ２には、分岐接続路Ｒ２ａと分岐接続路Ｒ２ｂとの間に、上流の分岐接続路Ｒ２ａ側から順に、電磁弁３ｃ、逆止弁７ｃ、及び、等圧弁[equalizing valve]９が直列配置されている。逆止弁７ｃは、分岐接続路Ｒ２ａから分岐接続路Ｒ２ｂへ向かう流れのみを許容する。
　ガス供給装置５１は、ガス入力ポートＰ２と、分岐導路Ｒ２上の逆止弁７ｃと等圧弁９との間の合流部Ｄ２と、を繋ぐ窒素導路[nitrogen delivery path]（第２導路配管）Ｒ３を備えている。窒素導路Ｒ３は、ガス入力ポートＰ２側から順に、レギュレータ１４、電磁弁３ｄ、及び、逆止弁７ｄが直列配置されている。レギュレータ１４は、手動レギュレータである。逆止弁７ｄは、合流部Ｄ２へ向かう流れのみを許容する。
　電磁弁３ａ～３ｄ、等圧弁９、混合比率制御弁１０、及び、電空レギュレータ１２の動作は、ガス供給装置５１の外部の（例えば、レーザ加工機５２の）ＮＣ装置２１によって制御される。図２に示されるように、ＮＣ装置２１は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）２１ａと記憶部２１ｂとを有している。記憶部２１ｂには、分離装置４の特性としての残留酸素濃度テーブルが記憶されている。残留酸素濃度テーブルには、圧縮空気Ａ１の消費流量ＱＡと、圧縮空気Ａ１から分離されない酸素の濃度である残留酸素濃度と、の関係が記録されている。
　次に、ガス供給装置５１におけるガスの流れや各部の動作等について説明する。主導路Ｒ１は、電磁弁３ａ及び電磁弁３ｂによって開閉される。分岐導路Ｒ２は、電磁弁３ｃによって開閉される。窒素導路Ｒ３は電磁弁３ｄによって開閉される。詳しくは、電磁弁３ｃ及び電磁弁３ｄの両方が閉じられた両閉状態[two-closed state]、及び、電磁弁３ｃ及び電磁弁３ｄの何れか一方のみが開かれた一方開状態[one-open state]の何れかが選択的に実施される。
　電磁弁３ａ及び電磁弁３ｂが開かれた状態で、ガス入力ポートＰ１から圧縮空気Ａ１が供給される。圧縮空気Ａ１がフィルタ２を通過する際に、圧縮空気Ａ１に含有されるエアゾルが除去される。フィルタ２を通過した圧縮空気Ａ１は、分岐部Ｄ１を通り分離装置４に圧縮空気Ａ１ａとして流入する。
　電磁弁３ｃが閉じられているとき分岐導路Ｒ２は閉じられており、圧縮空気Ａ１は分岐導路Ｒ２の分岐接続路Ｒ２ａには流入しない。電磁弁３ｃのみが開かれているとき分岐導路Ｒ２は開かれており、圧縮空気Ａ１の一部が、分岐部Ｄ１から分岐導路Ｒ２に圧縮空気Ａ２として流入する。
　分離装置４は、窒素よりも酸素を透過し易い中空糸膜が内部に収められており、圧縮空気から窒素リッチガスを分離する（図３ステップＳ１０参照）。分離装置４は、入口４ａと、入口４ａから流入した圧縮空気Ａ１ａが中空糸膜を通らずに到達する出口４ｂと、入口４ａから流入した圧縮空気Ａ１ａが中空糸膜を通過して到達する出口４ｃとを有している。従って、出口４ｃからは、中空糸膜を通った酸素を主成分とする酸素リッチガスＢが排出される。酸素リッチガスＢはアシストガスＡＧとして利用されないので、空気中に放出される。
　一方、出口４ｂからは、出口４ｃから排出された酸素によって圧縮空気Ａ１ａよりも窒素濃度が高くなった窒素リッチガスＡ１ｂが排出される。出口４ｂから排出された窒素リッチガスＡ１ｂの流れ方向は逆止弁７ａ及び７ｂで許容された方向であるので、窒素リッチガスＡ１ｂは、逆止弁７ａを通過してタンク８に貯蔵されると共に、混合比率制御弁１０に流入する。
　混合比率制御弁１０は、二つの入力ポートを有している。窒素リッチガスＡ１ｂは、二つの入力ポートの一方に流入する。混合比率制御弁１０は、二つの入力ポートの一方から流入したガスと他方から流入したガスの混合比率を調整し、所望の混合比率αの混合ガスを流出させる。混合比率制御弁１０は、外部制御可能な混合弁装置であって、混合比率の調整は、ＮＣ装置２１によって制御される。ＮＣ装置２１は、混合比率αを設定する。ＮＣ装置２１は、その混合比率αが得られる弁開度を実現する弁指令Ｊ２（図２参照）を混合比率制御弁１０に送って、混合比率制御弁１０の弁動作を制御する。
　一方、分岐導路Ｒ２では、分岐部Ｄ１から分岐接続路Ｒ２ａに流入した圧縮空気Ａ２の流れ方向は逆止弁７ｃに許容された方向であるので、圧縮空気Ａ２は、電磁弁３ｃ及び逆止弁７ｃを通過し、等圧弁９を経て混合比率制御弁１０の二つの入力ポートの他方に流入する。
　等圧弁９は、一般に、二つの流路配管内の流れに関して、高圧の流れの圧力を、低圧の流れの圧力に合わせるよう減圧する機能を有している。ガス供給装置５１の等圧弁９は、主導路（導路配管）Ｒ１上の混合比率制御弁１０の直前の位置Ｄ３での窒素リッチガスＡ１ｂを導引して、導引した窒素リッチガスＡ１ｂの圧力Ｐａに基づいて、圧縮空気Ａ２の圧力を減圧する。この減圧によって、分岐接続路Ｒ２ｂから混合比率制御弁１０に流入する圧縮空気Ａ２ａの圧力Ｐｂが圧力Ｐａに等しくされる。
　従って、等圧の窒素リッチガスＡ１ｂ及び圧縮空気Ａ２ａが混合比率制御弁１０に流入する。ここで、窒素リッチガスＡ１ｂの流量に対する圧縮空気Ａ２ａの流量の比率を、混合比率αとする。窒素リッチガスＡ１ｂと圧縮空気Ａ２ａとが所望の混合比率αで混合された混合ガスとして、窒素リッチガスＡ１ｃが混合比率制御弁１０から流出される。
　窒素リッチガスＡ１ｃの流量ＱＮｒは、流量計１１で計測される（図３のステップＳ２０参照）。流量計１１は、計測結果を流量情報Ｊ１としてＮＣ装置２１に出力する（図２参照）。ＮＣ装置２１は、流量情報Ｊ１と上述した弁指令Ｊ２の開度状態（混合状態）とに基づいて窒素リッチガスＡ１ｃの窒素純度を算出して設定すべき所望の窒素純度と比較し、算出された窒素純度と所望の窒素純度との差ができるだけ小さくなるように混合比率制御弁１０の開度状態を微調整する。
　流量計１１を通過した窒素リッチガスＡ１ｃは、電磁弁３ｂ及び電空レギュレータ１２を通ってガス出力ポートＰ３からガス供給装置５１の外部に流出し、アシストガスＡＧとしてレーザ加工ヘッド１３に供給される。電空レギュレータ１２は、ＮＣ装置２１によって制御され、ガス出力ポートＰ３から流出するアシストガスＡＧの圧力を調整する。
　窒素導路Ｒ３は、上述したように、ガス入力ポートＰ２から分岐導路Ｒ２上の等圧弁９の上流側の合流部Ｄ２に接続されている。電磁弁３ｄのみが開かれて（かつ、電磁弁３ｃが閉じられて）いて窒素導路Ｒ３が開かれているとき、ガス入力ポートＰ２から窒素ガスＣ１が窒素導路Ｒ３に流入する。流入した窒素ガスＣ１の圧力は、レギュレータ１４によって圧縮空気Ａ１の圧力よりもやや高く予め調整される。この調整によって、等圧弁９による等圧調整が可能となる。レギュレータ１４で圧力が調整された窒素ガスＣ１は、電磁弁３ｄ及び逆止弁７ｄを通って合流部Ｄ２で分岐導路Ｒ２に流入する。
　上述した構成を有するガス供給装置５１は、電磁弁３ａを開き、かつ、電磁弁３ｃ及び電磁弁３ｄを閉じると、分離装置４で分離された窒素リッチガスＡ１ｂは、そのまま窒素リッチガスＡ１ｃとしてガス出力ポートＰ３から流出され、アシストガスＡＧとしてレーザ加工ヘッド１３に供給される。
　この場合、窒素リッチガスＡ１ｂ（＝Ａ１ｃ）の窒素純度は、分離装置４の特性に依存し、圧縮空気Ａ１の消費流量ＱＡに応じて変動する。消費流量ＱＡと窒素リッチガスＡ１ｂ（＝Ａ１ｃ）の窒素純度との関係は、圧縮空気Ａ１が実質的に酸素と窒素で構成されているので、記憶部２１ｂに記憶された残留酸素濃度テーブルから算出することができる。
　ＮＣ装置２１は、流量計１１の流量情報Ｊ１と残留酸素濃度テーブルとに基づいて、窒素リッチガスＡ１ｂ（＝Ａ１ｃ）の窒素純度を算出する（図３のステップＳ３０参照）。算出された窒素純度を算出窒素純度ＮＪｍと称する。また、レーザ加工ヘッド１３の加工条件等から設定されるアシストガスＡＧの所望の窒素純度を設定窒素純度（目標窒素純度[target nitrogen purity]）ＮＪｓと称する。
　ＮＣ装置２１は、算出窒素純度ＮＪｍを設定窒素純度ＮＪｓと比較して（図３のステップＳ４０及びＳ６０参照）、算出窒素純度ＮＪｍの方が大きい場合（ＮＪｍ＞ＮＪｓ）と小さい場合（ＮＪｍ＜ＮＪｓ）とで、窒素純度に関して異なる制御を行う。なお、算出窒素純度ＮＪｍが設定窒素純度ＮＪｓと等しい場合（ＮＪｍ＝ＮＪｓ）は、窒素純度を調整する必要はなく、窒素リッチガスＡ１ｂに圧縮空気Ａ２ａや窒素ガスＣ１は混合されない（図３のステップＳ８０参照）。
　以下の説明では、ＮＪｍ＞ＮＪｓの場合の制御をモードＭ１（窒素純度低下動作）と称し（図３のステップＳ５０参照）、ＮＪｍ＜ＮＪｓの場合の制御をモードＭ２（窒素純度上昇動作）と称する（図３のステップＳ７０参照）。モードＭ１及びＭ２の状態での電磁弁３ａ～３ｄの状態を下記の［表１］に示す。なお、電磁弁３ｃ及び３ｄは、分岐導路Ｒ２及び窒素導路Ｒ３の一方を選択的に混合比率制御弁１０に接続する切り替え装置として機能している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
（算出窒素純度ＮＪｍが設定窒素純度ＮＪｓより高い場合：モードＭ１）
　ＮＣ装置２１は、電磁弁３ａ、３ｂ及び３ｃを開き、電磁弁３ｄを閉じる。窒素リッチガスＡ１ｂに圧縮空気Ａ２ａが混合される。窒素リッチガスＡ１ｂの圧力と圧縮空気Ａ２ａの圧力との差は、等圧弁９の作用により実質的になくなっている。従って、上述した混合比率αは、混合比率制御弁１０の弁開度に応じて高精度に調整できる。
　ＮＣ装置２１は、上述したように、弁指令Ｊ２の開度状態と流量計１１の流量情報Ｊ１とに基づく計算によって、混合ガスである窒素リッチガスＡ１ｃの算出窒素純度ＮＪｍを求める。そして、ＮＣ装置２１は、算出窒素純度ＮＪｍと設定窒素純度ＮＪｓとの差がなくなるように、混合比率制御弁１０の弁開度を微調整する。
　圧縮空気Ａ２ａの窒素純度は、窒素リッチガスＡ１ｂの窒素純度よりも低い。このため、混合比率制御弁１０によって圧縮空気Ａ２ａを混合して得られた窒素リッチガスＡ１ｃの窒素純度は、混合前の窒素リッチガスＡ１ｂよりも低くなる。窒素リッチガスＡ１ｃの窒素純度は、混合比率制御弁１０の弁開度の微調整によって、設定窒素純度ＮＪｓに高精度に調整され、維持される。
（算出窒素純度ＮＪｍが設定窒素純度ＮＪｓより低い場合：モードＭ２）
　ＮＣ装置２１は、電磁弁３ａ、３ｂ及び３ｄを開き、電磁弁３ｃを閉じる。窒素ガスＣ１が合流部Ｄ２から分岐導路Ｒ２に流入し、等圧弁９を経て分岐接続路Ｒ２ｂから混合比率制御弁１０に流入する。等圧の窒素リッチガスＡ１ｂ及び窒素ガスＣ１が混合比率制御弁１０に流入する。従って、上述した混合比率αは、混合比率制御弁１０の弁開度に応じて高精度に調整できる。ＮＣ装置２１は、モードＭ１及びＭ２のいずれにおいても、算出窒素純度ＮＪｍと設定窒素純度ＮＪｓとの差がなくなるように、混合比率制御弁１０の弁開度を微調整する。
　窒素ガスＣ１の窒素純度は、窒素リッチガスＡ１ｂの窒素純度よりも高い。このため、混合比率制御弁１０によって窒素ガスＣ１を混合して得られた窒素リッチガスＡ１ｃの窒素純度は、混合前の窒素リッチガスＡ１ｂよりも高くなる。窒素リッチガスＡ１ｃの窒素純度は、混合比率制御弁１０の弁開度の微調整によって、設定窒素純度ＮＪｓに高精度に調整され、維持される。
　図４は、モードＭ１の制御における、圧縮空気Ａ１の消費流量ＱＡと（混合後の窒素リッチガスＡ１ｃに含まれる）窒素リッチガスＡ１ｂの流量ＱＮｒとの関係、即ち、特性Ｑを示すグラフである。横軸上の最大消費流量ＱＡｍａｘは、コンプレッサＣＰによって供給可能な圧縮空気Ａ１の最大供給流量である。縦軸上の最大流量ＱＮｒｍａｘは、流量計１１によって計測される最大流量に相当する。分離装置４は、その機能上、消費流量ＱＡが所定の分離基準流量ＱＡ１を超える範囲で、圧縮空気Ａ１から窒素リッチガスＡ１ｂを分離する。即ち、特性Ｑは、分離基準流量ＱＡ１以上で流量ＱＮｒが得られる。
　窒素リッチガスＡ１ｂに混合する圧縮空気Ａ２ａの流量が限りなく０（ゼロ）に近い場合（０（ゼロ）場合も含む）、特性Ｑに沿った窒素リッチガスＡ１ｃが得られる。この場合、例えば圧縮空気Ａ１の消費流量がＱＡｂであると、窒素リッチガスＡ１ｂの流量ＱＮｒｂがそのまま窒素リッチガスＡ１ｃの流量として利用される。
　この窒素リッチガスＡ１ｂの流量ＱＮｒｂを維持したまま、窒素リッチガスＡ１ｃの窒素純度を下げるために分岐導路Ｒ２から圧縮空気Ａ２ａを混合する場合、最大で流量ＭＱの分の圧縮空気Ａ２ａを混合することができる。流量ＭＱは、消費流量ＱＡに関する（ＱＡｍａｘ－ＱＡｂ）に相当する。即ち、ガス供給装置５１では、消費流量ＱＡｂの窒素リッチガスＡ１ｂに対し、混合ガス（窒素リッチガスＡ１ｃ）を得るときに混合する圧縮空気Ａ２ａの消費流量は、通常の使用態様において、コンプレッサＣＰの能力範囲内での余剰圧縮空気で賄える。これにより、圧縮空気Ａ２ａを混合するためにコンプレッサＣＰを大型化する必要はなく、コストアップを抑制できる。
　以上詳述したように、ガス供給装置５１及びＮＣ装置２１は、中空糸膜を用いた分離装置４によって分離した窒素リッチガスＡ１ｂを元にして、ガス出力ポートＰ３から流出する窒素リッチガスＡ１ｃの算出窒素純度ＮＪｍと、レーザ加工ヘッドに供給すべく設定されたアシストガスＡＧの設定窒素純度ＮＪｓとを比較する。次いで、ガス供給装置５１及びＮＣ装置２１は、比較して得られた算出窒素純度ＮＪｍと設定窒素純度ＮＪｓとの関係に応じて、圧縮空気Ａ２ａと窒素ガスＣ１（純度１００％）とのいずれか一方を選択的に窒素リッチガスＡ１ｂに混合させて、窒素リッチガスＡ１ｃの窒素純度を所定の設定窒素純度ＮＪｓに合わせる（窒素純度調整動作）。窒素純度調整動作によって得られた窒素リッチガスＡ１ｃは、アシストガスＡＧとしてレーザ加工ヘッド１３に供給される。
　算出窒素純度ＮＪｍは、窒素リッチガスＡ１ｃの流量ＱＮｒ（又は、後述する変形例１～３の酸素濃度）と、分離装置４の酸素分離特性とに基づいて算出される窒素純度である。窒素リッチガスＡ１ｃの算出窒素純度ＮＪｍが設定窒素純度ＮＪｓよりも高い場合は、窒素リッチガスＡ１ｂに圧縮空気Ａ２ａを混合する（モードＭ１）。一方、算出窒素純度ＮＪｍが設定窒素純度ＮＪｓよりも低い場合は窒素リッチガスＡ１ｂに窒素ガスＣ１を混合する（モードＭ２）。これにより、ガス供給装置５１は、アシストガスＡＧとして用いる窒素リッチガスＡ１ｃの窒素純度を、消費流量ＱＡによらず安定的に、かつ、容易に所望の設定窒素純度ＮＪｓに維持できる。
　以上詳述したように、ガス供給装置５１では、窒素リッチガスＡ１ｂを蓄えるタンク８が、主導路Ｒ１上の分離装置４の下流側に逆止弁７ａを介して配置されている。これにより、消費流量ＱＡが予期せず急変動しても、窒素リッチガスＡ１ｂは混合比率制御弁１０に安定して供給される。このため、混合比率制御弁１０の混合比率αは一定に維持され、窒素リッチガスＡ１ｃ（即ち、アシストガスＡＧ）は、その流量ＱＮｒ及び窒素純度が安定して、ガス出力ポートＰ３から導出される。
　ガス供給装置５１は、窒素リッチガスＡ１ｃの窒素純度を下げる場合に、窒素リッチガスＡ１ｂに圧縮空気Ａ２ａを混合させる。これにより、窒素純度低下のための混合用ガスを別途調達する必要がない。また、ガス供給装置５１内の配管敷設のみで、窒素純度低下処理に容易に対応でき、かつ、コストアップを抑制できる。
　ガス供給装置５１は、混合比率制御弁１０に流入する、窒素リッチガスＡ１ｂの圧力と圧縮空気Ａ２ａ又は窒素ガスＣ１の圧力とを、等圧弁９を用いて等しくしている。これにより、混合比率制御弁１０での混合比率αが消費流量ＱＡによらず高精度で安定する。そのため、窒素リッチガスＡ１ｃ（アシストガスＡＧ）の窒素純度が、消費流量ＱＡによらず高精度に安定する。
　ガス供給装置５１は、混合後の窒素リッチガスＡ１ｃの流量を測定する流量計１１を備えている。そして、ＮＣ装置２１が、流量計１１からの流量情報Ｊ１と混合比率制御弁１０の開度状態を示す弁指令Ｊ２とに基づいて、窒素リッチガスＡ１ｃの算出窒素純度ＮＪｍを算出する。算出窒素純度ＮＪｍと維持管理すべきアシストガスＡＧの設定窒素純度ＮＪｓとが比較され、混合比率制御弁１０の弁開度が微調整される。これにより、アシストガスＡＧ（＝窒素リッチガスＡ１ｃ）の窒素純度が、高精度かつ安定的に設定値に維持される。
　ＮＣ装置２１によって算出窒素純度ＮＪｍ（＝窒素リッチガスＡ１ｃ（＝アシストガスＡＧ）の窒素純度）が設定窒素純度ＮＪｓよりも低いと判断された場合、ガス供給装置５１は、窒素リッチガスＡ１ｂに純窒素ガスである窒素ガスＣ１を混合して、窒素リッチガスＡ１ｃ（＝アシストガスＡＧ）の窒素純度を高める。これにより、市販の純窒素ガスに圧縮空気を混合して窒素リッチガスを得る場合に比べて、高価な市販の純窒素ガスの使用量を大幅に少なくすることができ、コストを低減できる。
　例えば、９９．９％の高純度窒素リッチガスを５００ＮＬ／ｍｉｎ製造する場合、純窒素ガスと圧縮空気とを混合して製造すると、純窒素ガスを約４９７ＮＬ／ｍｉｎ消費する。これに対し、窒素リッチガスと純窒素ガスとを混合して製造すると、純窒素ガスを約３００ＮＬ／ｍｉｎ消費する（約２００ＮＬ／ｍｉｎの純窒素ガスを節約できる）。
　なお、分離装置４と混合比率制御弁１０の間にタンク８を設けることで、分離装置４に圧縮空気Ａ１ａの供給を開始した直後に、窒素リッチガスＡ１ｃの濃度を安定させることができる。分離装置４には、その内部を通過する圧縮空気Ａ１ａの圧力が高いほど純度の高い窒素リッチガスＡ１ｂを分離する、という特性がある。また、分離装置４には、電磁弁3aが閉じて圧縮空気Ａ１ａの供給が停止すると、その内圧が酸素リッチガスＢの出口４ｃから逃げて大気圧になる、という特性もある。従って、電磁弁3aを開き分離装置４への圧縮空気Ａ１ａの供給開始直後には、分離装置４の内圧は大気圧から徐々に高くなるので、分離装置４を経由した窒素リッチガス濃度も徐々に変化する。よってそのまま混合比例制御弁に供給してしまうとこの間、窒素リッチガスＡ１ｂも混合後の窒素リッチガスＡ１ｃも所定濃度にならない。そこで分離装置４の下流にタンク８を設置すると、分離装置４への圧縮空気Ａ１ａの供給開始直後には、タンク８に溜められていた所定濃度の窒素リッチガスがＡ１ｂが混合比率制御弁１０に流れるので、混合後の窒素リッチガスＡ１ｃの濃度は安定する。また、電磁弁3aを開き分離装置４への圧縮空気Ａ１ａの供給開始直後の分離装置４を経由した窒素リッチガスは濃度が安定しないが、ガスがタンク８に溜められていた窒素リッチガスＡ１ｂにまざり薄められるので、タンク内の窒素リッチガスの濃度変化および混合後の窒素リッチガスＡ１ｃの濃度変化を緩やかにすることもできる。
　上述したように、混合比率制御弁１０に導入される二種類のガスは、等圧弁９によって同じ圧力を有するように制御される。混合比率制御弁１０は一方のガスのための内部弁の開度に比例して、他方のガスのための内部弁が閉じられる機構を有している。従って、混合比率は、等圧弁９の弁開度（弁位置）と相関している。二種類のガスに圧力差があると、低圧のガスが混合されにくくなる。また、混合比率は圧力差の影響も受けるので、圧力差を制御することも必要になる。本実施形態のように等圧弁９による圧力制御は、混合比率が弁開度で決まるため簡潔である。さらに、圧力差があるガスの混合には複雑な混合機構が必要になる場合があるが、本実施形態の構成はそのような混合機構は必要ない。
　本発明は、上述した実施形態（構成及び手順）に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形することができる。
　（１）二種のガスを混合させる混合弁は、混合比率制御弁１０に限定されない。混合比率制御弁１０に代えて、主導路Ｒ１及び分岐接続路Ｒ２ｂそれぞれにオリフィス弁を混合弁として配置し、各オリフィス弁の弁開度を調整することで混合比率αを調整してもよい。
　（２）分岐導路Ｒ２上の等圧弁９に代えて、電空レギュレータを配置してもよい。この場合、例えば主導路Ｒ１上の位置Ｄ３に、窒素リッチガスＡ１ｂの圧力を測定する圧力センサを取り付けておく。ＮＣ装置２１は、圧力センサからの検出信号に基づいて電空レギュレータによる減圧を制御し、圧縮空気Ａ２ａの圧力と窒素リッチガスＡ１ｂの圧力とを等しくする。
　（３）主導路Ｒ１上の分離装置４と混合比率制御弁１０との間の区間に酸素濃度[oxygen concentration]を測定する酸素濃度計[oxygen meter]が配置されてもよい（変形例１）。例えば、図５に示されるように、タンク８と逆止弁７ｂとの間（計測位置Ｄ４）に、バルブ１６ａを介して酸素濃度計１５が接続される。酸素濃度計１５を用いて、ＮＣ装置２１によって次の（Ｓ１）～（Ｓ５）の手順でレーザ加工ヘッド１３に供給するアシストガスＡＧの窒素純度を調整する。まず、ＮＣ装置２１によって、予め手順（Ｓ１）～（Ｓ３）を行い、窒素リッチガスＡ１ｂの流量と酸素濃度との関係を近似曲線として取得しておく。
（Ｓ１）：電磁弁３ａを開き、電磁弁３ｃ及び３ｄを閉じることで、圧縮空気Ａ１が、圧縮空気源ＡＲから主導路Ｒ１にのみ流入して、分離装置４に供給される。
（Ｓ２）：混合比率制御弁１０又は電空レギュレータ１２の開度を段階的に調整して、窒素リッチガスＡ１ｂの異なる流量に対する酸素濃度を測定する。このとき、窒素リッチガスＡ１ｂ（＝Ａ１ｃ）の流量は流量計１１で測定され、酸素濃度はバルブ１６ａを開けて酸素濃度計１５で測定される。少なくとも３～５種類の異なる流量で測定する。
（Ｓ３）取得した測定データから近似式を作成する。近似式は、例えば多項式近似によって作成される。具体的には、窒素リッチガスＡ１ｂの流量をＸ、酸素濃度をＹとすると、３種類測定した場合は、Ｙ＝ａＸ２＋ｂＸ＋ｃで近似し、５種類測定した場合は、Ｙ＝ａＸ４＋ｂＸ３＋ｃＸ２＋ｄＸ＋ｅで近似する（ａ～ｅは定数）。この近似曲線は、分離装置４の一般的特性のため、流量増で酸素濃度増となる関係を示す。その関係は、上述した残留酸素濃度テーブルに対して、実測に基づいて得られた分離装置４の特性である。以下、この近似曲線で示される関係から得られた窒素純度を、近似算出窒素純度ＮＪｍｋと称する。なお、近似算出窒素純度ＮＪｍｋは、窒素純度調整動作中に酸素濃度計１５によって測定された酸素濃度（Ｙ）に基づいて算出できる。
（Ｓ４）：ＮＣ装置２１は、近似曲線から得られる流量Ｘと酸素濃度Ｙとの関係に基づいて、アシストガスＡＧ（＝窒素リッチガスＡ１ｃ）の窒素純度（近似算出窒素純度ＮＪｍｋ）が設定窒素純度ＮＪｓになるようガスの選択とその混合量とを算出する。詳しくは、ＮＣ装置２１は、分離装置４から出力された窒素リッチガスＡ１ｂに混合するガスとして純窒素ガスＣ１及び圧縮空気Ａ２の何れかを選択すると共に、選択したガスと窒素リッチガスＡ１ｂとの混合比率αを算出する。
（Ｓ５）：ＮＣ装置２１は、ガスの選択結果に応じて電磁弁３ｃ及び３ｄを制御し、混合比率αの算出結果に基づいて混合比率制御弁１０の開度を調整する。これにより、レーザ加工ヘッド１３に供給するアシストガスＡＧの窒素純度を設定窒素純度ＮＪｓに合わせることができる。
　即ち、上述した実施形態では、残留酸素濃度テーブルを用いて算出窒素純度ＮＪｍが算出された（なお、残留酸素濃度テーブル作成時には、本変形例１の酸素濃度計１５のような酸素濃度計が用いられる）。これに対して、本変形例１では、（酸素濃度計１５を用いて作成された）近似式を用いて近似算出窒素純度ＮＪｍｋが算出される。なお、残留酸素濃度テーブルや近似式の代わりに酸素濃度計１５の計測値を用いることも可能ではある。しかし、酸素濃度計１５の応答遅れなどを考慮すると、残留酸素濃度テーブルや近似式を用いて窒素純度を制御することが好ましい。
　酸素濃度計１５が、主導路Ｒ１上の混合比率制御弁１０よりも下流の位置に接続されてもよい（変形例２）。例えば、図６に示されるように、混合比率制御弁１０と流量計１１との間（計測位置Ｄ５）に、バルブ１６ｂを介して酸素濃度計１５が接続される。
　この場合も同様に、上記変形例１の（Ｓ１）～（Ｓ３）の手順で近似曲線が予め作成される。そして、ＮＣ装置２１は、近似曲線から得られる流量Ｘと酸素濃度Ｙとの関係に基づいて、アシストガスＡＧ（＝窒素リッチガスＡ１ｃ）の窒素純度（近似算出窒素純度ＮＪｍｋ）が設定窒素純度ＮＪｓに維持されるよう、電磁弁３ｃ又は３ｄを制御し、混合比率制御弁１０の開度を調整する。そして、酸素濃度計１５によって窒素リッチガスＡ１ｃ（＝アシストガスＡＧ）の酸素濃度を直接測定して、フィードバック制御を行う。
　上述した変形例１又は２のように、酸素濃度計１５を用いることで窒素リッチガスＡ１ｃの窒素純度は、設定窒素純度ＮＪｓに高精度で維持される。特に、変形例２（図６参照）のように酸素濃度計１５を混合比率制御弁１０よりも下流側に配置した場合は、フィードバック制御によって、より高精度で窒素純度を調整できる。
　なお、酸素濃度計１５が、変形例１及び２を統合して図７に示されるように設けられてもよい（変形例３）。この場合、バルブ１６ａとバルブ１６ｂとを交互に開閉し、混合比率制御弁１０の上流側と下流側との酸素濃度を交互に測定することで、混合比率αの設定のためのきめ細かいフィードバックが可能となる。従って、混合比率制御弁１０の故障などの不具合発見も容易となる。
　上記実施形態及び変形例では、混合比率制御弁１０によって混合比率αを調整した。しかし、上述したように、混合比率制御弁１０に代えて主導路Ｒ１（又は分岐導路Ｒ２）を複数の導路として設け、複数の導路それぞれにオリフィス弁と開閉弁とを配置してもよい。この場合、主導路Ｒ１（又は分岐導路Ｒ２）を流れるガスの流量を段階的に調整することができる。
　なお、ガス供給装置５１の使用用途によっては、混合比率αが固定値として設定されてもよい場合もある。この場合は、外部制御できない固定タイプの混合比率制御弁１０が用いられてもよい。また、分岐導路Ｒ２及び窒素導路Ｒ３は、電磁弁３ｃ及び３ｄ以外の構成によって切り替えられてもよい。例えば、電磁弁３ｃ及び３ｄに代えて、三方弁を配置することで導路が選択的に切り替えられてもよい。
　次に、図８を参照しつつ、第２実施形態について説明する。本実施形態は、上述した第１実施形態（及びその変形例）に準じた構成を有している。従って、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の参照符号を付して、それらの重複する説明は省略する。
　上述した第１実施形態及びその変形例では、テーブルや近似曲線が予め作成され、流量計の測定結果とテーブルや近似曲線とに基づいて窒素純度が制御された。本実施形態では、混合比率制御弁１０への指令値（濃度）と混合比率（弁開度／弁の位置）との関係をテーブルとして作成する（追って詳しく説明する）。混合比率制御弁１０に流入する窒素リッチガスＡ１ｂと圧縮空気Ａ２ａ／窒素ガスＣ１との混合比率が決まれば、混合比率制御弁１０から流出する窒素リッチガスＡ１ｃの窒素純度が決定する。
　そして、本実施形態では流量計１１に代えて、レギュレータ１７及び昇圧機[booster]１８が設けられている。昇圧機[booster]１８がレギュレータ１７の設定圧力で窒素リッチガスＡ１ｃを吸い込むと、設定圧力に応じた流量の窒素リッチガスＡ１ｃが混合比率制御弁１０から流出するので、窒素リッチガスＡ１ｃの窒素純度が高精度に安定する。
　以下、本実施形態におけるガス供給装置５１の構成について説明する。上述した第１実施形態とは異なる構成のみを説明する。本実施形態では、昇圧機１８によってガスを引く[draw]ことで混合比率制御弁１０で窒素リッチガスＡ１ｂと圧縮空気Ａ２ａ／窒素ガスＣ１との混合が行われるので、窒素純度の制御を安定化できる。本実施形態では、第１実施形態にタンク８に代えて、昇圧機１８の下流にタンク１９が設けられている。タンク８及びタンク１９は、前述した分離装置への圧縮空気の供給開始後の窒素リッチガスの濃度変化を緩やかにするという実質的に同じ効果を得るために設けられているので本実施形態ではタンク８が省略されたが、タンク８も設けられてもよい。
　本実施形態ではタンク８が省略されたので、二つある逆止弁７ａ及び７ｂの一方は不要となるので、逆止弁７ａも省略されている。なお、本実施形態では、等圧弁９と混合比率制御弁１０との間にも逆止弁７ｅが設けられている。逆止弁７ｅは、第１実施形態や変形例でも設けられてもよい。また、等圧弁９の主導路Ｒ１への接続位置Ｄ３は、分離装置４の直後である。
　また、混合比率制御弁１０の下流側の計測位置Ｄ５には、上述した変形例２（図６参照）と同様に酸素濃度計１５が設けられる。ただし、この酸素濃度計１５は、上述した指令値のテーブルを予め作成する際に必要であり、実際にアシストガスＡＧをレーザ加工ヘッド１３に供給する際には必ずしも必要ではない。
　計測位置Ｄ５の下流には、レギュレータ１７が設けられている。レギュレータ１７は、手動レギュレータである。レギュレータ１７の下流には、昇圧機１８が設けられている。なお、図２には示されていないが、昇圧機はタンク内の圧力の変化に応じて作動する。具体的にはタンクの内圧が設定された下限値になれば作動し、設定された上限値に達したら作動停止するようになっている。レギュレータ１７によって、昇圧機１８によって引かれる窒素リッチガスＡ１ｃの圧力が一定に規定される。
　窒素リッチガスＡ１ｃの圧力をレギュレータ１７の設定圧力で一定に規定することで、昇圧機１８は窒素リッチガスＡ１ｃを一定流量で取り込む。窒素リッチガスＡ１ｃが一定流量で昇圧機１８に取り込まれるということは、混合比率制御弁１０から流出する窒素リッチガスＡ１ｃの流量が一定になることと同じである。従って、混合比率制御弁１０で窒素リッチガスＡ１ｂと圧縮空気Ａ２ａ／窒素ガスＣ１とが一定流量で安定して混合されるので、窒素リッチガスＡ１ｃの窒素濃度（窒素純度）が高精度に制御される。
　昇圧機１８の下流にはバッファタンク１９が設けられている。昇圧機１８から吐出された窒素リッチガスＡ１ｃは、バッファタンク１９に押し込まれて、バッファタンク１９内に溜められる。バッファタンク１９内に溜められた窒素リッチガスＡ１ｃは、第１実施形態と同様に、電磁弁３ｂ及び電空レギュレータ１２とによって、所望圧力の窒素リッチガスＡ１ｃがアシストガスＡＧとしてレーザ加工ヘッド１３に供給される。バッファタンク１９内の窒素リッチガスＡ１ｃが減ったら、昇圧機１８が始動して混合比率制御弁１０によって窒素リッチガスＡ１ｃが更に生成されてバッファタンク１９に補充される。
　次に、上述した指令値のテーブルについて説明する。このテーブルに関しては、上述したモードＭ１及びＭ２の両方に対して作成される（本実施形態では一つのテーブルとして作成される）。上述したように、酸素濃度計１５を用いて、混合比率制御弁１０への指令値（濃度）と混合比率（弁開度／弁の位置）との関係をテーブルとして作成する。
　まず、「分離装置４からの窒素リッチガスＡ１ｂ」と「窒素導路Ｒ３からの窒素ガスＣ１」との混合（モードＭ２）に関する混合比率制御弁１０への指令値について説明する。
　分離装置４からの窒素リッチガスＡ１ｂと窒素導路Ｒ３からの窒素ガスＣ１とを混合する際の混合比率制御弁１０への指令値０～１００が作成される。例えば、指令値０の場合は、（窒素ガスＣ１：窒素リッチガスＡ１ｂ）＝（１００：０）で混合される。指令値１の場合、（窒素ガスＣ１：窒素リッチガスＡ１ｂ）＝（９９：１）で混合される。指令値１００の場合、（窒素ガスＣ１：窒素リッチガスＡ１ｂ）＝（０：１００）で混合される。指令値２～９９の場合も同様である。
　次に、「分離装置４からの窒素リッチガスＡ１ｂ」と「窒素導路Ｒ２からの圧縮空気Ａ２ａ」との混合（モードＭ１）に関する混合比率制御弁１０への指令値について説明する。
　分離装置４からの窒素リッチガスＡ１ｂと窒素導路Ｒ２からの圧縮空気Ａ２ａとを混合する際の混合比率制御弁１０への指令値１０１～２０１が作成される。例えば、指令値１０１の場合は、（圧縮空気Ａ２ａ：窒素リッチガスＡ１ｂ）＝（１００：０）で混合される。指令値２０１の場合、（圧縮空気Ａ２ａ：窒素リッチガスＡ１ｂ）＝（０：１００）で混合される。指令値１０２～２００の場合も同様である。
これらの指令値（弁開度／弁の位置、即ち、混合比率）で混合比率制御弁１０を制御した場合に得られる窒素リッチガスＡ１ｃの酸素濃度（即ち、窒素濃度）が、酸素濃度計１５によって検出される。これにより、各指令値（混合比率）に対応する酸素濃度（即ち、窒素濃度）が決定する。
　レーザ加工時に必要な酸素濃度（窒素濃度）は、ワークの材質や厚さ、加工速度、レーザ種類などで変わる。しかし、レーザ加工に使用する酸素濃度（窒素濃度）はある程度決まる。そこで、上記の指令値０～２０１の中から、使用すると考えられる指令値のみが予め選択される。例えば、１６個の指令値（１１，１５，２６，７１，８０，８５，８９，９３，９７，１０３，１０５，１０７，１０９，１１４，１２９，２００）が選択される。この指令値は、モードＭ１及びモードＭ２の両方を含んでいる。指令値が小さいほど、酸素濃度が低い（即ち、窒素濃度が高い）。
　実際のレーザ加工時には、上記の選択された指令値の全部又は一部がＮＣ装置２１のディスプレイパネルに表示され、作業者によって選択される。なお、指令値は、それに対応する酸素濃度（窒素濃度）と対応付けられて表示される。なお、指令値の一部のみがディスプレイパネルに表示される場合としては、ワークの材質がＮＣ装置２１に既に入力されており、使用されない指令値を除外する場合が挙げられる。使用される可能性がある指令値のみを表示することで、作業性が向上する。
　本実施形態によれば、昇圧機１８によるガス引き流量が一定にされるので、混合比率制御弁１０から流出する窒素リッチガスＡ１ｃの流量が高精度に一定に制御される。従って、混合比率制御弁１０の弁開度／弁の位置（指令値）さえ決定すれば混合比率も高精度に一致される。従って、窒素リッチガスＡ１ｃの窒素純度も安定して高精度に制御できる。
　日本国特許出願第２０１６－１５６７０号（２０１６年１月２９日出願）の全ての内容は、ここに参照されることで本明細書に援用される。本発明の実施形態を参照することで上述のように本発明が説明されたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、請求の範囲に照らして決定される。

Claims (6)

  1. 　圧縮空気から窒素リッチガスを取得し、アシストガスとしてレーザ加工ヘッドに供給するアシストガス供給方法であって、
    　窒素よりも酸素を透過し易い中空糸膜を備えた分離装置を用いて前記圧縮空気から前記窒素リッチガスを分離する窒素リッチガス分離ステップと、
    　分離された前記窒素リッチガスに前記圧縮空気を混合して窒素純度を下げる窒素純度低下動作、及び、分離された前記窒素リッチガスに窒素ガスを混合して窒素純度を上げる窒素純度上昇動作のいずれか一方を実行することで、前記アシストガスとして供給される前記窒素リッチガスの前記窒素純度を調整する窒素純度調整ステップと、を備えたアシストガス供給方法。
  2. 　請求項１に記載のアシストガス供給方法であって、
    　前記分離装置で分離された前記窒素リッチガスがタンクに蓄えられ、
    　前記窒素純度調整ステップが、前記タンクから流出された前記窒素リッチガスに対して実行される、アシストガス供給方法。
  3. 　前記窒素純度調整ステップは、前記アシストガスとして供給する前記窒素リッチガスの窒素純度を酸素濃度又は流量から把握し、把握した前記窒素純度が、前記アシストガスに定められている設定窒素純度よりも高い場合に前記圧縮空気を混合し、低い場合に前記窒素ガスを混合することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアシストガス供給方法。
  4. 　圧縮空気から窒素リッチガスを取得し、アシストガスとしてレーザ加工ヘッドに供給するアシストガス供給装置であって、
    　窒素よりも酸素を透過し易い中空糸膜を用いて前記圧縮空気から前記窒素リッチガスを分離する分離装置と、
    　前記分離装置で分離された前記窒素ガスを前記レーザ加工ヘッドへ導く導路配管と、
    　前記導路配管上に配置され、前記分離装置で分離された前記窒素リッチガスに混合比率可変で他のガスを混合する混合弁と、
    　第１ガスを前記混合弁に導入するための第１導路配管と、
    　第２ガスを前記混合弁に導入するための第２導路配管と、
    　前記第１ガス及び前記第２ガスのいずれか一方を前記他のガスとして前記混合弁に導入するために前記第１導路配管及び前記第２導路配管のいずれか一方を前記混合弁に選択的に接続するための切り替え弁装置と、を備え、
    　前記第１ガスが前記圧縮空気であり、前記第２ガスが窒素ガスであり、前記切り替え弁装置が前記第１導路配管を選択したときに前記窒素リッチガスの窒素純度が低くなり、前記切り替え弁装置が前記第２導路配管を選択したときに前記窒素リッチガスの窒素純度が高くなる、アシストガス供給装置。
  5. 　請求項４に記載のアシストガス供給装置であって、
    　前記分離装置で分離された前記窒素リッチガスを蓄えるタンクが、前記分離装置と前記混合弁との間に配置されている、アシストガス供給装置。
  6. 　請求項４又は５に記載のアシストガス供給装置であって、
    　前記混合弁に導入される前記窒素リッチガスの圧力と前記他のガスの圧力とを等しくする等圧弁をさらに備えている、アシストガス供給装置。
PCT/JP2017/002959 2016-01-29 2017-01-27 アシストガス供給方法及び装置 WO2017131165A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017563851A JP6812366B2 (ja) 2016-01-29 2017-01-27 アシストガス供給方法及び装置

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016-015670 2016-01-29
JP2016015670 2016-01-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017131165A1 true WO2017131165A1 (ja) 2017-08-03

Family

ID=59398261

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2017/002959 WO2017131165A1 (ja) 2016-01-29 2017-01-27 アシストガス供給方法及び装置

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6812366B2 (ja)
WO (1) WO2017131165A1 (ja)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0584590A (ja) * 1991-09-26 1993-04-06 Amada Co Ltd レーザ加工用アシストガス供給装置
JPH09136182A (ja) * 1995-11-10 1997-05-27 Komatsu Ltd レーザ加工機のアシストガス発生装置及びその制御方法
JP2007313545A (ja) * 2006-05-26 2007-12-06 Tg Showa Kk レーザー加工装置用アシストガス供給方法およびレーザー加工機用アシストガス混合装置。
WO2014065256A1 (ja) * 2012-10-26 2014-05-01 コマツ産機株式会社 レーザ加工機のアシストガス発生装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0584590A (ja) * 1991-09-26 1993-04-06 Amada Co Ltd レーザ加工用アシストガス供給装置
JPH09136182A (ja) * 1995-11-10 1997-05-27 Komatsu Ltd レーザ加工機のアシストガス発生装置及びその制御方法
JP2007313545A (ja) * 2006-05-26 2007-12-06 Tg Showa Kk レーザー加工装置用アシストガス供給方法およびレーザー加工機用アシストガス混合装置。
WO2014065256A1 (ja) * 2012-10-26 2014-05-01 コマツ産機株式会社 レーザ加工機のアシストガス発生装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP6812366B2 (ja) 2021-01-13
JPWO2017131165A1 (ja) 2018-11-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI436183B (zh) 多通道氣體輸送系統、多通道流量比控制器系統及控制氣體流率比之方法
JP3801570B2 (ja) 流量制御装置
US11285446B2 (en) Mixed gas supply device
JP4399227B2 (ja) チャンバの内圧制御装置及び内圧被制御式チャンバ
JP2000077394A (ja) 半導体製造装置
CN102858408B (zh) 确定气体成分分压力的方法及飞机乘员用呼吸面罩的调节器
US8770215B1 (en) Low flow injector to deliver a low flow of gas to a remote location
JPH06319972A (ja) 混合ガス供給装置
JP3168217B2 (ja) 超高精度分析装置へのガス供給方法及び装置
JP2010517744A (ja) 流体混合物
JP2019505036A (ja) 流体制御システム
US20140334246A1 (en) Method For Producing Mixed Gas And Gas Mixing Device
JP5011195B2 (ja) 流体分流供給ユニット
JP2018065073A (ja) 希釈水素ガス生成装置
WO2017131165A1 (ja) アシストガス供給方法及び装置
JP2017074593A (ja) ガス分離装置及び方法
EP3498366B1 (en) Resistivity adjustment device and resistivity adjustment method
JP2007038179A (ja) ガス混合装置
CN111826638B (zh) 气体分配装置和方法、原子层沉积设备
JP2004226077A (ja) ガス希釈装置
CN107110411B (zh) 多重气体提供方法及多重气体提供装置
JP7252293B1 (ja) 空気浄化システム
JP4137665B2 (ja) マスフローコントローラ
US20220305300A1 (en) Breathing regulator with dynamic dilution control
US20230120094A1 (en) Tail gas exhausting pressure stabilization control system

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17744395

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2017563851

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 17744395

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1